CHTEM-I直升機(jī)時(shí)間域航空電磁發(fā)射系統(tǒng)研究

于生寶，孫長玉，姜健，林君，曹學(xué)峰

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CHTEM-I直升機(jī)時(shí)間域航空電磁發(fā)射系統(tǒng)研究

于生寶1，孫長玉1，姜健1，林君1，曹學(xué)峰2

(1. 吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林長春，130026；2. 中國國土資源航空物探遙感中心，北京，100083)

提出一種直升機(jī)時(shí)間域航空電磁發(fā)射系統(tǒng)，采用PWM調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)梯形波發(fā)射波形的上升沿及平頂段電流可控，提高輸出電流的控制精度，解決上升沿、下降沿拖尾的問題，并利用軟硬件相結(jié)合的方法消除下降沿過沖；研究大功率器件的并聯(lián)技術(shù)和軟關(guān)斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大功率器件的動(dòng)、靜態(tài)均流；設(shè)計(jì)雙閉環(huán)穩(wěn)壓電源，提高發(fā)射電流波形的穩(wěn)定性，改善一次場(chǎng)質(zhì)量；將CHTEM-I系統(tǒng)應(yīng)用于野外測(cè)試。研究結(jié)果表明：CHTEM-I系統(tǒng)的發(fā)射磁矩達(dá)254 469 A?m2，發(fā)射電流上升時(shí)間小于2.2 ms，峰值為500 A，下降沿關(guān)斷時(shí)間小于1 ms，具有發(fā)射磁矩大、信噪比高、波形穩(wěn)定性好、反應(yīng)深層地質(zhì)信息能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

航空電磁法；PWM調(diào)制技術(shù)；雙閉環(huán)；線同步

直升機(jī)時(shí)間域電磁法(HTEM)是一種以直升機(jī)作為載體，并在飛行過程中完成勘探的資源探測(cè)方法[1]。其原理是通過在吊艙上的發(fā)射線圈中供以幾百安的大發(fā)射電流，在空間內(nèi)建立起穩(wěn)定的磁場(chǎng)，此后迅速關(guān)斷發(fā)射電流，在空間內(nèi)感應(yīng)出二次場(chǎng)，接收機(jī)通過接收線圈傳感器采集二次場(chǎng)感應(yīng)信號(hào)，由電磁場(chǎng)理論解釋該響應(yīng)分析地下礦體的位置、形態(tài)、構(gòu)造等信息[2]。由于直升機(jī)具有飛行高度低、飛行間隔密集、機(jī)動(dòng)性好等特點(diǎn)，與固定翼飛機(jī)方式相比，具有分辨礦體異常能力更強(qiáng)和空間分辨率更高的優(yōu)勢(shì)[3]，該方法應(yīng)用領(lǐng)域涉及金屬礦勘查[4]、地表和地下水勘探[5?7]、地質(zhì)災(zāi)害勘察[8?9]、環(huán)境監(jiān)測(cè)[10?11]等。直升機(jī)時(shí)間域航空電磁的物探效果與磁矩、下降沿線性度和波形穩(wěn)定性等緊密相關(guān)。發(fā)射電流的磁矩越大，其深層探測(cè)能力越強(qiáng)[12]；下降沿線性度越高，波形穩(wěn)定性越好，越能更好地反映礦體近地表信息；在常用的幾種TEM發(fā)射波形中，采用半正弦波與三角波發(fā)射，波形的線性度與穩(wěn)定性較好，對(duì)淺層地質(zhì)信息的分辨能力較高，半正弦波還可以通過加大峰值磁矩的方法，進(jìn)行深部探測(cè)。采用梯形波與方波發(fā)射，發(fā)射磁矩大，信噪比高，對(duì)深層地質(zhì)信息的空間分辨能力較強(qiáng)，并可以通過提高波形穩(wěn)定性、增加補(bǔ)償線圈的方法減弱on-time期間的一次場(chǎng)影響，實(shí)現(xiàn)全波收錄[13?14]。目前，Aeroquest公司的AeroTEM系統(tǒng)采用小磁矩的三角波電流發(fā)射，通過收錄電流上升階段的感應(yīng)場(chǎng)獲取近地表高導(dǎo)體信息[15]，由于發(fā)射磁矩的限制，它在探測(cè)深度上不能達(dá)到預(yù)期要求；GeotechLtd公司的VTEM系統(tǒng)采用大磁矩的多邊形電流發(fā)射，通過收錄關(guān)斷電流后期的感應(yīng)場(chǎng)反映深層礦體信息[16]，由于波形穩(wěn)定性較差，一次場(chǎng)去除困難，淹沒了反映淺層信息的早期信號(hào)；Fugro公司的HELIGEOTEM系統(tǒng)[17]采用大磁矩半正弦波發(fā)射，通過收錄后半部下降沿感應(yīng)場(chǎng)反映礦體信息，實(shí)現(xiàn)了大磁矩、全波收錄。國內(nèi)吊艙式直升機(jī)時(shí)間域直升機(jī)航空電磁勘查系統(tǒng)的研究尚處于空白狀態(tài)。吉林大學(xué)與中國國土資源航空物探遙感中心合作研制的CHTEM-I系統(tǒng)是我國第一套吊艙式直升機(jī)時(shí)間域航空電磁探測(cè)系統(tǒng)，其在大功率、大磁矩、波形穩(wěn)定性、下降沿線性度、高信噪比、空間分辨能力等方面取得了顯著進(jìn)展。

1 發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CHTEM-I發(fā)射系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)射系統(tǒng)由電源單元、控制板、驅(qū)動(dòng)單元、全橋電路和同步控制器等組成。

電源單元取電于直升機(jī)28 V/4.5 kW的發(fā)電機(jī)，由多路系統(tǒng)輔助電源和高壓開關(guān)電源組成。電源單元采用隔離技術(shù)，避免各個(gè)模塊之間的電源干擾。高壓開關(guān)電源采用直流斬波控制方式，將28 V直升機(jī)直流電源提升為500 V高壓。上位機(jī)給主控單元設(shè)置頻率、上升時(shí)間、上升電流、平頂段維持時(shí)間、維持電流等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)梯形波發(fā)射波形的上升沿及平頂段電流可控；主控單元通過內(nèi)部PWM(pulse width modulation)調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生單元合成所需PWM調(diào)制信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)大功率開關(guān)器件橋路的開通與關(guān)斷，并產(chǎn)生同步信號(hào)來與接收機(jī)進(jìn)行同步。利用主控單元內(nèi)部的A/D模塊對(duì)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和儲(chǔ)存，再通過上位機(jī)顯示發(fā)射電流的峰值和關(guān)斷時(shí)間等信息；當(dāng)產(chǎn)生故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)單元迅速關(guān)斷橋路，產(chǎn)生指示信號(hào)，主控單元對(duì)指示信號(hào)進(jìn)行判斷，如果是誤觸發(fā)，將重新打開橋路，否則關(guān)斷驅(qū)動(dòng)，保護(hù)發(fā)射機(jī)安全。吸收保護(hù)單元采用軟關(guān)斷技術(shù)來保證橋路安全可靠地工作。

圖1 發(fā)射系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 功率逆變電路設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射波形控制技術(shù)

CHTEM-I系統(tǒng)采用的是信噪比高、空間分辨能力強(qiáng)的類梯形波電流發(fā)射，上升沿、下降沿所用時(shí)間越短，響應(yīng)程度越強(qiáng)[13?14]。鉗位電壓越高，上升沿提升速度越快，下降沿延遲時(shí)間越短，波形線性度越好[18]。而時(shí)間域航空電磁法的發(fā)射電流需要幾百安培，線圈電阻只有幾十毫歐，既要實(shí)現(xiàn)陡脈沖發(fā)射、大電流快速關(guān)斷，又要維持平頂段電流的穩(wěn)定。因此，用電容充放電電路實(shí)現(xiàn)高壓鉗位的常規(guī)方法，無法滿足設(shè)計(jì) 要求。

發(fā)射電路如圖2所示，由全橋電路、去過沖電路、吸收電路組成，通過調(diào)節(jié)開關(guān)器件1和3的導(dǎo)通占空比，實(shí)現(xiàn)梯形波發(fā)射波形的可控，通過控制開關(guān)器件5和6的導(dǎo)通時(shí)間，消除下降沿過沖，通過無損吸收電路、RCD吸收電路加強(qiáng)對(duì)開關(guān)器件的吸收保護(hù)。圖2中，R為負(fù)載等效模型，為高壓開關(guān)電源電壓。吸收電路只給出了正向?qū)ㄩ_關(guān)管1的無損吸收電路及4的RCD吸收電路。結(jié)合正向開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(如圖3所示)，以正向梯形波為例，進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖2 發(fā)射電路框圖

圖3 發(fā)射系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)及發(fā)射電流波形

2.1.1 上升沿控制技術(shù)

在上升沿期間，開關(guān)管4一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)調(diào)制開關(guān)1導(dǎo)通時(shí)，電流通過1，R和4流通，此時(shí)線圈兩端電壓為電源電壓；當(dāng)調(diào)制開關(guān)1關(guān)斷時(shí)，電流通過R，4及2的續(xù)流二極管流通，此時(shí)線圈兩端電壓為0 V。由PWM調(diào)制技術(shù)的面積等效原理可知，控制電壓=，因此，可以通過控制1的導(dǎo)通占空比來得到想要的控制電壓，此時(shí)，控制電壓和輸出電流的關(guān)系為：

2.1.2 平頂段控制技術(shù)

在平頂段，減小1導(dǎo)通占空比，實(shí)現(xiàn)平頂段電流穩(wěn)定輸出，電流流通路徑與上升沿一致，調(diào)制方式如圖3所示，此時(shí)電流基本維持不變，控制電壓=。

2.1.3 下降沿控制技術(shù)

在下降沿期間，1和4關(guān)斷，線圈中電流通過2和3續(xù)流二極管續(xù)流，線圈兩端電壓為反向電源電壓，線圈中電流為

令式(2)為0，得到關(guān)斷時(shí)間：

(3)

由式(2)可以得出下降沿的斜率為

在下降沿期間，負(fù)載能量全部轉(zhuǎn)移到電容1中，為滿足系統(tǒng)安全，應(yīng)滿足，U為IGBT的額定電壓，0為發(fā)射電流峰值。

1應(yīng)滿足

(6)

在實(shí)際使用中，1應(yīng)取合理的較大值，以保證較好的穩(wěn)壓效果。

根據(jù)課題需要，設(shè)計(jì)研制1臺(tái)發(fā)射磁矩峰值大于250 kA?m2，發(fā)射功率大于2 kW，發(fā)射電流的最大峰值為500 A，上升沿時(shí)間為2.2 ms，平頂段時(shí)間為0.5 ms，下降沿時(shí)間小于1 ms的梯形波發(fā)射機(jī)。取發(fā)射線圈為1.1 mH，為0.07 Ω。根據(jù)以上理論分析，上升沿、平頂段、下降沿的控制電壓分別取268，35和500 V。根據(jù)PWM調(diào)制技術(shù)的原理，選取電源電壓為500 V，則上升沿與平頂段的占空比應(yīng)分別為53.6%和7%，電容1取0.033 F。

由于采用PWM調(diào)制技術(shù)，在梯形波平頂段存在紋波，紋波由調(diào)制頻率決定，為了減小其對(duì)數(shù)據(jù)解釋的影響，紋波應(yīng)小于等于2 A。通過仿真得到在調(diào)制頻率為10 kHz時(shí)，紋波為2.1 A，同時(shí)兼顧開關(guān)損耗，選取10 kHz為調(diào)制頻率。

圖4所示為用matlab仿真得到的線圈電壓與電流仿真結(jié)果。圖5所示為平頂段紋波。

1—電流1；2—電壓2。

圖5 平頂段紋波

由仿真結(jié)果可以看出，上升沿時(shí)間約為2.2 ms，平頂段約為0.5 ms，紋波為2.1 A，下降沿時(shí)間約為0.9 ms，與預(yù)設(shè)值基本一致，線圈兩端電壓在調(diào)制過程中的導(dǎo)通時(shí)刻，幅值為，關(guān)斷時(shí)刻，幅值接近于0 V，下降沿的鉗位電壓為反向電源電壓，實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷，與分析結(jié)果一致。

2.1.4 去過沖電路設(shè)計(jì)

反向過沖所產(chǎn)生的欠阻尼震蕩會(huì)影響二次場(chǎng)早期形成的信號(hào)，形成探測(cè)盲區(qū)[19]，特別是在航空電磁法大電流高壓反向關(guān)斷的情況下，可以形成高達(dá)100 A的震蕩型過沖，嚴(yán)重影響接收系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集。

結(jié)合文獻(xiàn)[20]的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了軟硬件相結(jié)合的新型去過沖電路，將電流互感器測(cè)得的電流信號(hào)對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓相比較，通過設(shè)定雙限比較器輸入端的電阻比值，使梯形波輸出電流在?20~20 A之間時(shí)，雙限比較器輸出為正。此輸出信號(hào)再與開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)結(jié)合，由FPGA軟件控制，當(dāng)FPGA檢測(cè)到上橋臂負(fù)跳變和雙向比較器正跳變后發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。因?yàn)樘菪尾殡p向的，所以，要區(qū)別開正向和負(fù)向的導(dǎo)通信號(hào)。圖2中去過沖電路的控制原理圖如圖6所示。

在對(duì)去過沖電路進(jìn)行仿真研究時(shí)，電容2的取值要遠(yuǎn)大于IGBT的結(jié)電容，同時(shí)附加電路的阻抗應(yīng)該小于兩端的等效阻抗，基于以上分析，又根據(jù)計(jì)算方便和容易選取器件的原則，取4組數(shù)據(jù)(見表1)，仿真結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出工況3的測(cè)試效果最好。對(duì)應(yīng)參數(shù)為：1=50 Ω，2=5 Ω，2=2.2 μF。

圖6 去過沖控制原理圖

表1 去過沖電路各元件參數(shù)

1—工況1；2—工況2；3—工況3；4—工況4。

2.2 軟關(guān)斷技術(shù)

系統(tǒng)采用軟關(guān)斷技術(shù)對(duì)橋路進(jìn)行吸收保護(hù)，2和4的開關(guān)損耗較低，采用RCD吸收電路抑制浪涌電壓。高頻開關(guān)管1和3采用新型無損吸收電路，將能量直接回饋給負(fù)載，提高了效率。圖2中只給出了正向?qū)ㄩ_關(guān)管1和4的吸收保護(hù)電路圖。

2.2.1 RCD吸收電路

4關(guān)斷后，二極管4通過對(duì)電容充電，減小4兩端電壓dc的上升速率，當(dāng)4導(dǎo)通時(shí)再由3和4釋放出去。由公式可以得到電容5為

式中：C為流過IGBT的最大電流；為電壓上升限制時(shí)間。電阻消耗的功耗為

(8)

吸收的能量要在開關(guān)管的最小導(dǎo)通時(shí)間on內(nèi)釋放出去，此時(shí)，

布局時(shí)，每2個(gè)開關(guān)管配備1組RCD電路，盡量使RCD電路靠近開關(guān)管。

2.2.2 無損吸收電路

由式(8)可以看出，開關(guān)管1的功率損耗比4的高100倍左右，所以在高頻部分設(shè)計(jì)了新型無損吸收電路，將關(guān)斷時(shí)吸入的能量轉(zhuǎn)換給負(fù)載，這樣較大的提高了效率及可靠性。

如圖2所示，無損吸收電路由二極管1，2，3，吸收電容3，4和電感1組成。當(dāng)1關(guān)斷時(shí)，1導(dǎo)通，吸收電容3充電，減緩了1兩端電壓的上升速度，而電容4的能量經(jīng)負(fù)載線圈R，4和3放電，能量回饋到負(fù)載；當(dāng)1導(dǎo)通時(shí)，二極管1和3關(guān)斷，3中的能量經(jīng)1，4，2和1回路傳遞，3，4和1組成諧振回路，由于2的存在，當(dāng)1的電流為零時(shí)，諧振結(jié)束，能量都儲(chǔ)存在4中。整個(gè)過程中，消耗在二極管和分布電阻上的能量很少，實(shí)現(xiàn)了能量回饋，提高了效率。

因?yàn)?和4能量相互轉(zhuǎn)換，所以3=4，計(jì)算方法與5相同。由于2的作用，3、4的能量交換時(shí)間是一個(gè)完整諧振周期的一半，而1的最小導(dǎo)通時(shí)間S必須大于這個(gè)時(shí)間。電感1的計(jì)算公式為

布局時(shí)，電容3要緊挨開關(guān)管。

2.3 并聯(lián)大電流發(fā)射及均流技術(shù)

根據(jù)航空瞬變電磁法發(fā)射電流大、電壓小的特點(diǎn)，采用多個(gè)開關(guān)器件并聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)大電流發(fā)射。選用具有正的溫度系數(shù)的IGBT，根據(jù)負(fù)反饋原理實(shí)現(xiàn)大功率器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均流。每個(gè)并聯(lián)的IGBT必須具有獨(dú)立的柵極電阻和泄流電阻，必須保證電路分布參數(shù)一致，驅(qū)動(dòng)回路電路分布一致。

3 雙閉環(huán)穩(wěn)壓開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用提高開關(guān)電源穩(wěn)定性的方法提高發(fā)射電流的穩(wěn)定性，減小發(fā)射電流幅度變化。根據(jù)課題要求，需要研制了一臺(tái)最大輸出電壓500 V，平均功率大于2.1 kW，瞬時(shí)功率為250 kV?A，效率大于80%，質(zhì)量小于20 kg的輕便大功率高壓開關(guān)電源。系統(tǒng)采用直流斬波控制方式把28 V直升機(jī)電源提升到500 V，采用電感、電容諧振電路儲(chǔ)能的方式，實(shí)現(xiàn)瞬間功率變換達(dá)到預(yù)期要求，為了維持輸出電壓的穩(wěn)定，系統(tǒng)引入了雙閉環(huán)控制技術(shù)，分別為電流內(nèi)環(huán)PI控制方式和電壓外環(huán)PI控制方式。高壓開關(guān)電源系統(tǒng)工作原理框圖如圖8所示。

圖8 高壓開關(guān)電源系統(tǒng)工作原理框圖

圖8中，1，2，3，4是4組MOS開關(guān)管，每組由5個(gè)MOS管并聯(lián)而成。與一般的橋式逆變電路不同的是，電路中加入了換向電感h，這使電路在空載時(shí)仍然處于低損耗的諧振狀態(tài)，在大電流時(shí)進(jìn)入軟開關(guān)狀態(tài)，在電流過大時(shí)仍然能很好吸收電壓尖峰，從而使電路可靠性加強(qiáng)。濾波電容與濾波電感f構(gòu)成諧振電路儲(chǔ)能，通過控制導(dǎo)通占空比來控制輸出電壓，器件的占空比為20%。高壓開關(guān)電源的控制器對(duì)輸出濾波電容電壓和輸出濾波電感電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，將輸出電壓的采樣信號(hào)與系統(tǒng)設(shè)置電壓進(jìn)行比較，得到實(shí)際電壓與設(shè)置電壓之間的誤差信號(hào)，此誤差信號(hào)經(jīng)過電壓控制器進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，得到控制輸出濾波電感電流的指令電壓，與電感電流的采樣信號(hào)進(jìn)行比較，得到電感電流與設(shè)置電流之間的誤差信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過電流控制器進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，得到PWM脈沖信號(hào)控制電壓，與三角載波電壓信號(hào)進(jìn)行比較，得到PWM脈沖信號(hào)，最后經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路，輸出PWM驅(qū)動(dòng)脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變橋開關(guān)管的開通與關(guān)斷控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出濾波電容電壓的穩(wěn)定性控制。高壓開關(guān)電源的實(shí)測(cè)結(jié)果如圖9所示。

(a) 直流耦合；(b) 交流耦合

由圖9可以看出：高壓開關(guān)電源的最大電壓約為500 V，紋波幅值小于150 mV，紋波頻率大于100 kHz。在野外實(shí)驗(yàn)中，發(fā)射電流的幅度變化小于0.5%。

4 線同步控制器設(shè)計(jì)

CHTEM-I探測(cè)系統(tǒng)是一種空中勘查儀器系統(tǒng)，接收機(jī)安裝在直升機(jī)機(jī)艙內(nèi)，發(fā)射機(jī)安裝在發(fā)射線圈的探頭前部，發(fā)射機(jī)到接收機(jī)由40 m長的傳輸電纜連接，因此，本系統(tǒng)采用控制簡(jiǎn)單、可靠性高的線同步控制器。FPGA通過內(nèi)部頻率解析單元讀取鍵盤設(shè)置的頻率參數(shù)，并在液晶顯示屏上顯示出來。程控頻率產(chǎn)生單元根據(jù)解析的頻率參數(shù)，對(duì)10 kHz信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)分頻，產(chǎn)生同步信號(hào)，此信號(hào)一路通過數(shù)字磁耦合隔離和同步線同步接收機(jī)，啟動(dòng)采集卡采集，一路經(jīng)PWM調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生單元合成所需PWM調(diào)制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變電路工作。圖10所示為線同步控制方式的控制原理圖。

CHTEM-I系統(tǒng)線同步控制器控制簡(jiǎn)單、無累計(jì)誤差，實(shí)現(xiàn)了高精度25，75和125 Hz的同步信號(hào)輸出。

圖10 線同步控制器控制原理圖

5 實(shí)測(cè)結(jié)果

CHTEM-I發(fā)射系統(tǒng)是基于大功率開關(guān)器件并聯(lián)技術(shù)的大磁矩航空電磁法發(fā)射系統(tǒng)，其最大發(fā)射磁矩為254 469 A·m2，最大發(fā)射頻率為2.1 kW的梯形波發(fā)射機(jī)，探測(cè)深度可達(dá)300 m。H橋路的4個(gè)橋臂采用2個(gè)IGBT并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)大電流發(fā)射，IGBT選用具有正溫度系數(shù)的韓國LS公司的LWH400G603模塊，發(fā)射線圈的匝數(shù)為5匝，直徑為15 m，電感為1.1 mH，為0.07 Ω。高壓開關(guān)電源的最高輸出電壓為500 V，補(bǔ)償電容1為0.033 F，1為50 Ω/100 W，2為5 Ω/25 W，2為2.2 μF，3422 nF，5為47 nF，3為18 kΩ/5 W，1為5 uH。去過沖電路檢測(cè)電流為20 A。調(diào)制頻率為10 kHz，占空比分別為53.6%和7%，可實(shí)現(xiàn)25，75和125 Hz多頻率段發(fā)射。圖11所示為25 Hz下的發(fā)射電流與驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形圖。

由圖11可以看出：發(fā)射電流的上升沿時(shí)間為2.2 ms，平頂段維持時(shí)間為0.5 ms，紋波小于2 A，下降沿關(guān)斷時(shí)間為0.9 ms，基本無過沖現(xiàn)象。在長時(shí)間的野外實(shí)驗(yàn)中，發(fā)射電流的幅度相對(duì)誤差小于0.5%，頻率相對(duì)誤差小于0.008%。

(a) 開關(guān)管V1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；(b) 開關(guān)管V4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；(c) 開關(guān)管V5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)

該系統(tǒng)在河南省桐柏縣、黑龍江富錦市進(jìn)行了地下水水資源分布調(diào)查，在內(nèi)蒙古克什克騰旗進(jìn)行了礦產(chǎn)資源勘探，測(cè)量結(jié)果與加拿大Aeroquest公司的AeroTEM系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，在發(fā)射線圈參數(shù)相同的情況下，對(duì)比結(jié)果如圖12所示。

從圖12可以看出：CHTEM-I系統(tǒng)的脈沖寬度明顯比AeroTEM系統(tǒng)的大，峰值電流相同，在線圈參數(shù)相同的情況下，其發(fā)射磁矩更大、信噪比更高、反映深層地質(zhì)信息的能力更強(qiáng)。

1—CHTEM-I系統(tǒng)；2—AeroTEM系統(tǒng)。

6 結(jié)論

1) CHTEM-I發(fā)射系統(tǒng)采用PWM調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大電流陡脈沖發(fā)射、高壓鉗位關(guān)斷，并配合去過沖電路提高了發(fā)射電流下降沿的線性度，具有大電流快速關(guān)斷和持續(xù)大功率發(fā)射能力；研究了大功率開關(guān)器件的并聯(lián)均流技術(shù)、軟關(guān)斷技術(shù)；引入了雙閉環(huán)控制技術(shù)，提高了發(fā)射波形的穩(wěn)定性；采用線同步的同步方式，簡(jiǎn)單可靠且無誤差，具有大磁矩、高信噪比、空間分辨能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

2) CHTEM-I系統(tǒng)作為我國第一套吊艙式時(shí)間域直升機(jī)航空電磁勘查系統(tǒng)，該技術(shù)具有高靈敏度、高分辨率等特點(diǎn)。

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(編輯 趙俊)

Research on airborne electromagnetic transmitting system of CHTEM-I helicopter-borne time-domain

YU Shengbao1, SUN Changyu1, JIANG Jian1, LIN Jun1, CAO Xuefeng2

(1. College of Instrument Science and Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130026, China 2. China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center, Beijing 100083, China)

A novel helicopter-borne time-domain airborne electromagnetic transmitting system was proposed. The PWM modulation technology was used to realize the ascending segment and the flat segment of the trapezoidal wave transmitter system under control, which could improve the control precision of the output current, and solve the problems of large trailing currents during the ascending and turn-off time. A method combining hardware and software was used to eliminate over-shot of the current falling-edge. Parallel technology and soft switching technology were considered to realize static and dynamic flow of powerful devices. Double closed-loop control technology was proposed to improve the stability of transmitter current waveform and the quality of primary field. CHTEM-I system was applied to geophysical surveys. The result indicates that the transmitted magnetic moment of CHTEM-I system is about 254 469 A?m2, the ascending time of the proposed circuits is lower than 2.2 ms, turn-off time is lower than 1.2 ms, and the peak transmitter current is up to 500 A. The system has bigger transmitted magnetic moment, higher noise-signal ratio and better ability to reflect the geological information in deep layers.

airborne electromagnetic; PWM modulation technology; double closed-loop; line locking

: 10.11817/j.issn.1672?7207.2017.06.019

P631

A

1672?7207(2017)06?1552?08

2016?06?20；

2016?07?29

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2013AA063904-1)(Project(2013AA063904-1) supported by the National High Technology Research and Development Program (863 Program) of China)

于生寶，教授，博士生導(dǎo)師，從事功率源技術(shù)及其應(yīng)用研究；E-mail：yushengbao@jlu.edu.cn